DIEU KHIEN HE THONG ROBOT

Đợc sử dụng rộng rãi trong thiết kế Robot do nó có nhiều u điểm hơn sovới các hệ truyền động khác nh : điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộbiến đổi phụ thêm, không gây bẩn môi trờ

Chơng 1

Tổng quan về hệ thống Robot1.1 Khái quát chung

1.1.1 Lịch sử phát triển của Robot

Trong sự nghiệp Công nghiệp hoá Hiện đại hoá đất nớc, vấn đề tự độnghoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng, mang lại hiệu quả kinh tế xã hội

rõ rệt Nhờ ứng dụng kỹ thuật điện tử, tin học, cơ khí chính xác,…tự động hoá

đợc áp dụng cho từng máy, tổ hợp máy đến cả dây chuyền công nghệ, cả nhàmáy và tiến tới tự động hoá cả một ngành sản xuất Với những ứng dụng sâurộng trong hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân mà tự động hoá trởthành đặc trng của nền công nghiệp hiện đại Trong quá trình tự động hoá sảnxuất hiện đại, việc ứng dụng Robot nhằm nâng cao năng suất, chất lợng vàkhả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện môi trờng, điều kiệnlao động Một dây chuyền tự động hoá hiện đại, linh hoạt không thể thiếu cácRobot công nghiệp

Theo định nghĩa, Ngời máy (Robot) là thiết bị có thể thực hiện các chứcnăng thông thờng của con ngời hoặc một máy dới hình dạng ngời

Từ giữa thập kỷ 18, J de Vancauson đã xây dựng các búp bê cơ khí cóthể chơi nhạc đợc Đây đợc coi nh là sản phẩm đầu tiên của tự động hoáRobot

Ngời đầu tiên sử dụng thuật ngữ “Robot” là nhà viết kịch ngời Czechtên là Karel Capek Năm 1922, trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot “,Capek đã sử dụng thuật ngữ “Robot”.Robot theo tiếng Czech có nghĩa là lao

động bị bắt ép hay là nông nô Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và contrai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống nh con ngời để hầu hạ vàphục dịch con ngời

Cho đến trớc những năm đại chiến thế giới thứ hai, việc ứng dụng cáccơ cấu máy móc nh vậy đã trở thành nhu cầu thực sự nhằm đáp ứng các thaotác cần thiết trong môi trờng phóng xạ của các viện nghiên cứu nguyên tử

Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, ở Mỹ đã xuất hiện những taymáy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóngxạ Trên cơ sở đó những cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời và ngày càng pháttriển Đây thực chất là những cơ cấu máy móc mô phỏng sinh học bao gồmcác khớp nối, dây gắn liền với hệ điều hành là tay của ngời thao tác thông quacác khâu khuyếch đại cơ khí Tuy các thao tác của cơ cấu này khá tinh vi khéo

léo nhng vẫn có nhiều hạn chế ví dụ nh : Tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụngcòn hạn chế, hệ điều khiển thuần tuý là cơ khí

Vào giữa những năm 1950, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó,

đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, nh tay máyMinotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric

Năm 1954, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấubản lề dùng để chuyển hàng theo chơng trình”

Năm 1956, George C.Devol và J.Engelberger đã gặp nhau và thảo luận

về tác phẩm của I.asimov Cả hai đã nhất trí hợp tác chế tạo ngời máy và vàonăm 1959 đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên mang tên Unimate ởCông ty Unimation Công ty Unimation do J.Engelberger sáng lập, đây làcông ty đầu tiên chuyên chế tạo ngời máy và Devol nghiên cứu các phát minh,

đăng ký bằng sáng chế cho công ty Unimate đợc đa vào sử dụng trong mộtnhà máy ô tô của hãng General Motors tại Trenton, New Jersey vào năm 1961.Chỉ đến năm 1975, Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot

đầu tiên

Từ năm 1980, ngời máy công nghiệp bắt đầu đợc sử dụng rộng rãi trongcác ngành công nghiệp khác nhờ công nghệ tiên tiến và những bớc phát triểnvợt bậc của trong các lĩnh vực máy tính điện tử và vi điện tử Đặc biệt từnhững năm 1990 trở lại đây, do sự phát triển vợt bậc về kỹ thuật vi xử lý vàcông nghệ thông tin, số lợng Robot tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tínhnăng ngày càng đợc hoàn thiện Do đó, Robot đang chiếm một vị trí quantrọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại

Ngày nay, ngời máy càng ngày càng đợc hoàn thiện, càng nhiều cáctính năng và có hình dáng gần với con ngời hơn Tuy vậy, trong công nghiệp,ngời máy thực sự chỉ là những cánh tay máy đợc điều khiển bằng máy tính

1.1.2 Cấu trúc và phân loại Robot.

1.1.2.1Cấu trúc.

Robot là một trong những sản phẩm của khoa học mà nó là sự kết hợpcủa nhiều ngành khoa học kỹ thuật nh: máy tính điện tử, máy điện, cơ khí,thiết kế cấu trúc cơ khí, vi điện tử, lập trình trí tuệ nhân tạo, nghệ thuật sảnxuất… Về bản chất, robot là một cỗ máy (tay máy) có những tính năng rất linhhoạt và đợc hiểu là tay máy đa năng có thể tái lập trình đợc Robot đợc thiết

kế để di chuyển dụng cụ, vật liệu, bộ phận thiết bị, thay cho các dịch vụ đặcbiệt thông qua các chế độ lập trình sẵn để thực hiện các nhiệm vụ khácnhau.Thông thờng, ta có thể chia robot ra hai thành phần cơ bản là phần cấu

trúc (constructor) và phần thực hiện nhiệm vụ (operator) Tuy nhiên một cách

đơn giản ta có thể chia chúng ra các thành phần cơ bản sau:

• Tay máy:

Tay máy bao gồm các thành phần cơ bản sau:

+ Chân đế : đợc đặt cố định hoặc đợc gắn lên một bộ phận di chuyển đợc +Thân tay, cánh tay trên, cánh tay dới, bàn kẹp (tay gắp)

Về mặt cơ khí, Robot đợc cấu tạo từ các thanh nối đợc nối với nhau bởicác khớp Các chuyển động của tay máy bao gồm chuyển động quay vàchuyển động tịnh tiến

• Bộ điều khiển:

Nhận lệnh từ bộ nhớ hay từ các thiết bị ngoại vi để điều khiển các thiết

bị truyền động thực hiện nhiệm vụ Điều khiển sự chuyển động của thiết bịtruyền động động cơ của bộ điều khiển cái mà di chuyển cánh tay Robot Bộ

vi xử lý của bộ điều khiển đồng thời thực hiện nhiều chức năng trong suốt quátrình chơng trình Robot thực hiện:

- Bộ điều khiển tính toán sự chuyển động đã yêu cầu của mỗi khớp để thựchiện sự chuyển động cánh tay chính xác

- Bộ điều khiển giám sát sự chuyển động của các khớp và gửi các lệnh tới

động cơ để điều khiển tốc độ và hiệu chỉnh sai số vị trí

- Bộ điều khiển đọc đầu vào dữ liệu từ cảm biến và đa ra tín hiệu để điều khiểnbàn kẹp, dụng cụ và các thiết bị khác

- Bộ điều khiển nhận các lệnh từ các thiết bị đầu cuối của ngời điều khiểnhoặc từ pendant điều khiển và phát thông báo trạng thái tới ngời điều khiển

1.1.2.2 Phân loại Robot công nghiệp

Ngày nay, Robot công nghiệp đang phát triển rất đa dạng Có thể phânloại Robot công nghiệp theo nhiều cách khác nhau:

-Theo vị trí làm việc phân ra các loại: Robot cấp thoát phôi, Robot vậnchuyển, Robot vạn năng,…

- Theo dạng công nghệ chuyên dụng : Robot sơn, Robot hàn, lắp ráp,…

-Theo cách thức và đặc trng điều khiển : Robot điều khiển tự động, Robot điềukhiển bằng dạy học,…

-Theo các hệ toạ độ đợc dùng khi thực hiện chuyển động cơ bản : Robot hoạt

động theo toạ độ hình trụ, cầu,…

1.1.1.3 Một số dạng của Robot điển hình

+Dạng cực.

Robot dạng này có không gian hoạt động dạng hình cầu (sphericalcoordinate) Cấu tạo của Robot dạng này bao gồm một khớp chuyển động tịnhtiến có thể nâng lên hạ xuống theo một trục quay nằm ngang Cả khối trên này

có thể quay theo trục thẳng đứng

H1.1:Robot dạng cực

+ Dạng trụ.

Sử dụng thân chính là một trụ đỡ dựng đứng, trục ngang có thể trợt dọctheo trục đó và thay đổi khoảng cách cổ tay tới trụ, đồng

thời tay máy còn có thể xoay quanh trụ đỡ tạo nên một

khoảng không gian hoạt động của nó có dạng hình trụ Toạ

độ của cổ tay Robot đợc xác định bằng độ cao cánh tay, bán

kính rời xa trục chính và góc quay Robot dạng này bao gồm

hai khớp tịnh tiến và một khớp quay

góc với nhau Bằng các chuyển động tịnh tiến đó,

Robot dạng này tạo nên một không gian làm việc có

dạng hình hộp

H1.3: Robot dạng toạ độ Decade

+ Dạng khớp nối

H1.4: Robot dạng khớp nối

Robot dạng này bao gồm hai khớp quay và mô phỏng hoạt động giống

nh tay ngời Các khớp nối quay quanh trục của nó nh chuyển động của tay

ng-ời Không gian hoạt động của Robot loại này có dạng hình cầu

1.1.3 Cơ cấu truyền lực của Robot

Để có đợc chuyển động thân, cánh tay cuả Robot cần phải có một hệthống các khớp nối Trong chuyển động của Robot ngời ta chia ra làm hai loạichuyển động chính:

+Chuyển động của thân và cánh tay

+Chuyển động các khớp cổ tay

Mỗi một khớp nối thực hiện một trong hai chuyển động trên đợc gọi là

“một bậc tự do” Số bậc tự do đặc trng cho độ linh hoạt của Robot Tuy nhiênkhi càng có nhiều bậc tự do thì việc điều khiển Robot càng phức tạp Thôngthờng các Robot công nghiệp có từ 4 – 6 bậc tự do Liên kết các chuyển độngcủa thân, cánh tay và cổ tay Robot đợc thực hiện bằng các kết nối Có 4 loạikết nối chính:

- Kết nối thẳng (L): là kết nối mà trục của hai khớp nối song song với nhau.Chuyển động tơng đốigiữa hai khớp nối là chuyển động tịnh tiến Kết nối nàythực hiện bằng chuyển động pittong hoặc chuyển động rãnh trợt (H.1.5 c)-Kết nối quay (R) là kết nối mà chuyển động của khớp nối cánh thứ hai làchuyển động quay xung quanh một trục vuông góc với trục khớp nối thứ nhất(H.1.5 a)

-Kết nối xoắn (T): là kết nối mà trục quay của liên kết song song với trục quaycủa hai khớp nối (H.1.5 b)

-Kết nối xoay (V) là kết nối mà trục quay trùng với trục của khớp nối thứ nhất

và vuông góc với trục của khớp nối thứ hai (H.1.5 d)

Các liên kết trong Robot đều thuộc một trong bốn loại liên kết nên ta có thểmô tả hình dạng vật lý cơ bản của một Robot bằng chuỗi ký tự (L,R,T,V) Ví

dụ một Robot trụ có thể biểu diễn bằng chuỗi ký tự: TLL,LTT,TVL…

H.1.5: Các loại kết nối chính

1.1.4 Hệ thống truyền động của Robot

Chuyển động của các khớp nối của Robot đợc cung cấp năng lợng bởi

hệ thống các động cơ đợc trang bị bên trong nó, từ đó tạo ra sự di chuyển, vận

động của thân, cánh tay và cổ tay Robot Độ lớn hay công suất của các thiết bịnày đợc bố trí sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển của cánh tay, trọng lợngcủa Robot và đặc biệt là khối lợng động của vật nặng nó cần làm việc

Do vậy mà tuỳ theo công suất yêu cầu và độ linh hoạt của hệ thống mà ta chọndùng một trong ba loại hệ truyền động sau:

Th-ép Hệ truyền động thuỷ lực rộng rãi trong trờng hợp tải nặng

1.1.4.2 Hệ truyền động điện.

Đợc sử dụng rộng rãi trong thiết kế Robot do nó có nhiều u điểm hơn sovới các hệ truyền động khác nh : điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộbiến đổi phụ thêm, không gây bẩn môi trờng, các loại động cơ điện hiện đại

có thể lắp trực tiếp lên các khớp, độ chính xác cao hơn …Tuy nhiên, so vớitruyền động thuỷ khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyềntrên một đơn vị khối lợng và thông thờng phải đòi hỏi thêm hộp giảm tốc vìtay máy yêu cầu tốc độ quay chậm,…

Trong thực tế, chỉ có 2 loại động cơ điện đợc sử dụng nhiều hơn cả là :

động cơ điện một chiều và động cơ bớc Hiện nay, do những thành công trongnghiên cứu điều khiển động cơ xoay chiều, nên cũng co xu hớng chuyển sang

sử dụng động cơ xoay chiều, ngoài ra loại động cơ một chiều không chổi gópcũng bắt đầu đợc ứng dụng

1.1.4.3 Hệ truyền động khí nén

Thờng chỉ đợc sử dụng cho loại Robot cỡ nhỏ, có từ 2-3 bậc tự do Ưu

điểm của loại truyền động này là: tơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều,không quá nhạy với nhiệt độ môi trờng và do trong các phân xởng côngnghiệp thờng có mạng lới khí nén chung nên đơn giản hóa đợc phần thiết bịnguồn động lực cho Robot và không cần đờng đa khí nén trở lại nh đối với hệtruyền động thuỷ lực Nhợc điểm cơ bản của hệ truyền động khí nén là:Những loại Robot này thờng bị giới hạn về khả năng tải trọng cũng nh khoảngcách phạm vi hoạt động, chu kỳ hoạt động nhỏ, chuyển động do khí tạo ra th-ờng có kèm theo dao động, không chính xác lúc dừng nhất là tại các vị trítrung gian Ngoài ra còn phải cần các các biện pháp : phun dầu bôi trơn, lọcbụi, lọc ẩm và giảm ồn Môđun truyền dẫn khí nén cho một bậc tự do của taymáy thờng bao gồm các bộ phận chủ yếu: động cơ, bộ phân phối, bộ điềuchỉnh vận tốc

1.1.5 Thiết bị ngoại vi

Các thiết bị ngoại vi của Robot là các thiết bị đợc ghép nối với Robot ởcác vị trí cần thiết để góp phần thực hiện các nhiệm vụ khác nhau của Robothoặc thực hiện việc nhận biết tín hiệu từ môi trờng đa vào hệ thống xử lý điềukhiển của Robot Các thiết bị ngoại vi đợc chia làm hai loại chính :

+ End _effector+ Các SensorEnd_effector là thuật ngữ chỉ thiết bị đợc ghép nối với cổ tay Robot.Thiết bị ghép nối này có thể là một bàn kẹp (Gripper) hoặc là một dụng cụlàm việc (mũi khoan, que hàn, đầu phun sơn…) Do vậy có thể nói

End_effector là một thiết bị ngoại vi giúp cho Robot thực hiện các nhiệm vụkhác nhau.

End_effector có thể chia làm hai loại cơ bản là: Mũi kẹp (Grippers) vàdụng cụ (Tools) Mũi kẹp có tác dụng để nắm giữ một vật nào đó và giữ chúngtrong quỹ đạo hoạt động (dùng di chuyển vật hoặc lắp ráp chi tiết) Dụng cụ làcác thiết bị nh máy phun sơn, máy hàn, máy mài…đợc dùng trong trờng hợpRobot đợc dùng để quét sơn hàn vật liệu…

Hệ thống cảm biến.: Thực hiện việc nhận biết và biến đổi các thông tin

về hoạt động Robot và các thông tin về môi trờng làm việc, đối tợng mà Robotphục vụ Các thông tin đặt trớc hoặc cảm biến đợc sẽ đợc đa vào hệ thống điềukhiển sau khi xử lý bằng máy tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn độngcủa tay máy Các loại cảm biến dùng trong kỹ thuật robot có thể chia làm 2loại:

- Cảm biến nội tín hiệu đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác độngtrong các bộ phận quan trọng của robot Các thông tin này là những tín hiệuphản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động của robot

- Cảm biến ngoại tín hiệu cung cấp thông tin về đối tác và môi trờng làm việc,phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặcthao tác trong không gian làm việc Để làm đợc các việc đó, cần có các loạicảm biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “xúc giác” và cảm biến

“thị giác”…Các loại cảm biến thông dụng:

1.1.5.1 Cảm biến vị trí, vận tốc và gia tốc.

• Cảm biến vị trí kiểu chiết áp

Đây là loại cảm biến vị trí kiểu điện trở thay đổi theo nguyên lý chiết

áp Kiểu cảm biến này hay đợc dùng để xác định độ dịch chuyển góc của cáctrục quay và xác định vận tốc góc bằng cách vi phân bậc nhất, xác định gia tốcbằng cách vi phân bậc 2 đại lợng dịch chuyển Ưu điểm của cảm biến này là

đợc dùng rất rộng rãi bởi giá thành thấp, độ bền sử dụng tơng đối cao Tuynhiên, tốc độ làm việc thấp, chất lợng chỗ tiếp xúc của các bộ phận trợt có thểgây nhiễu và giảm độ nhạy

• Cảm biến vị trí kiểu biến áp

Cảm biến này hoạt động theo nguyên lý của một biến áp sai động Kiểucảm biến này làm việc tin cậy, chính xác và phù hợp với dải rộng vận tốc quay,

có thể làm việc với vận tốc cao nhng đòi hỏi độ chính xác lớn về chế tạo vàlắp ráp nên giá thành cao

• Cảm biến điện quang

Thiết bị cảm biến này gồm các đĩa (đối với trờng hợp quay) hoặc cácthớc (đối với trờng hợp tịnh tiến) có vạch sáng tối đều nhau Một bên bậtnguồn sáng 1, một bên đặt quang trở 2 Do thay đổi vị trí tơng đối của cácphần tử di động so với phần cố định nên tần số và lợng ánh sáng lọt vào quangtrở cũng thay đổi Tín hiệu qua bộ khuyếch đại 3 và tạo các xung, từ đó suy ra

độ dịch chuyển hoặc vận tốc Tín hiệu đầu ra của cảm biến loại này là tín hiệu

số nên thuận tiện khi ghép nối với máy tính mà không cần thêm bộ chuyển đổiA/D nào

H.1.6:Sơ đồ cảm biến điện quang

1.1.5.2Cảm biến lực và cảm biến xúc giác.

• Cảm biến lực

Kiểu cảm biến này dùng để nhận biết phản lực xuất hiện trong khi lắpráp các chi tiết máy và đôi khi dùng để nhận tín hiệu lực trong các khớp động.Thông thờng, các cảm biến lực đợc lắp ở các khớp quay, khớp cổ tay hoặc trựctiếp trên bàn kẹp

• Cảm biến xúc giác

Dùng cảm biến này để nhận thông tin về sự tiếp xúc của bàn kẹp với đốitợng Những thông tin đó bao gồm vị trí, hình thù của đối tợng hoặc lực cầnkẹp…

1.1.5.3Cảm biến tín hiệu gần và tín hiệu xa.

• Camera: Đây là thiết bị quan sát bị có nhiệm vụ chuyển đổi các hình ảnh

quan sát đợc thành các tín hiệu đa về bộ điều khiển

Tóm lại, nếu định nghĩa Robot là một thiết bị phỏng sinh học theo conngời thì End_effector đợc coi nh bàn tay của Robot còn các cảm biến đợc coi

nh các giác quan của Robot

1.2 Các ứng dụng của Robot công nghiệp

1.2.1 Ưu điểm của Robot công nghiệp

Robot công nghiệp ngày càng giữ vai trò quan trọng và đợc ứng dụngrộng rãi trong các dây chuyền sản xuất là do những u điểm nổi bật của chúng.Các u điểm của Robot công nghiệp là:

-Robot có thể làm việc trong điều kiện môi trờng ảnh hởng xấu tới sứckhoẻ ngời lao động nh : bụi, nhiệt độ cao, độ ồn quá mức,…thậm chí trong cảmôi trờng nguy hiểm đến tính mạng ngời lao động: hoá chất, phóng xạ,…Robot công nghiệp còn có thể thay thế con ngời trong các công việc mà conngời không thể thực hiện và đến đợc Robot đã cải thiện đợc môi trờng lao

động

-Robot có thể làm việc trong thời gian dài với độ ổn định và chính xáccao,tiết kiệm nguyên vật liệu trong suốt thời gian làm việc Khi cần phải đẩynhanh, tăng nhịp độ sản xuất của dây chuyền sản xuất, nếu không có Robotthì ngời công nhân không thể theo kịp tiến độ sản xuất và rất chóng bị mệtmỏi Do đó Robot góp phần nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh củasản phẩm Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc khi có sự biển

đổi trong quá trình đa dạng hoá sản phẩm mà không cần phải đào tạo lại nh

đối với con ngời

Hiện nay, với sự trợ giúp mạnh mẽ của những tiến bộ tiên tiến về Khoahọc kỹ thuật làm cho giá thành lắp đặt, chế tạo Robot ngày càng giảm Đối vớinhững nớc có giá lao động cao thì việc sử dụng các Robot trong các dâychuyền sản xuất sẽ giảm đáng kể giá thành sản phẩm do giảm đợc những chiphí cho ngời lao động mà Robot không cần đến nh : tiền lơng, phụ cấp, bảohiểm xã hội.

1.2.2 Nhợc điểm

Từ những hiệu quả to lớn do Robot mang lại, đặc biệt là từ thực tế làRobot đã giải phóng đợc sức lao động, nhiều ngời lo ngại việc sử dụng nhiềuRobot sẽ dẫn đến tình trạng thất nghiệp Trên thực tế, điều này không phải làkhông có cơ sở nhng đồng thời với việc gây d sức lao động đơn giản, nó cũngtạo ra nhiều công việc phức tạp hơn nh : các kỹ thuật viên, các chuyên giachuyên về ngời máy, các nhà lập trình …

1.2.3.Các ứng dụng của Robot công nghiệp

Các nhà chế tạo Robot nhận định rằng : trong những năm tới, tình trạngthị trờng Robot tơng tự nh của máy tính vào những năm 80 Chúng sẽ trởthành những công cụ bình thờng của các công ty, xí nghiệp và những cỗ máygiúp việc trong nhà

Các Robot nói chung đợc sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích, trongnhiều lĩnh vực, từ các nhà máy, xí nghiệp lớn tới các công việc phục vụ trongsinh hoạt đời sống của con ngời Robot có thể làm việc trong môi trờng độchại, nguy hiểm nh trong các lò phản ứng hạt nhân, phóng xạ,…hay trong côngviệc thám hiểm không gian, thăm dò các hành tinh thuộc hệ Mặt trời Trongsinh hoạt, có các Robot trợ giúp, phục vụ ngời già, cắt cỏ, lau nhà…

Đối với Robot công nghiệp nói riêng, mức độ ứng dụng của nó diễn ra mạnh

mẽ và sâu rộng hơn cả Hầu hết các dây chuyền tự động hoá sản xuất hiện đại

đều có sự xuất hiện của Robot

Các Robot công nghiệp đợc ứng dụng trong các lĩnh vực cụ thể sau:

+Robot công nghiệp đợc ứng dụng khá rộng rãi trong công nghệ giacông và lắp ráp Độ chính xác định vị và thời gian là yếu tố quan trọng nhấtkhi thiết kế các Robot lắp ráp Có nhiều dây chuyền tự động gồm các máy vạnnăng và Robot công nghiệp Các dây chuyền đạt mức độ tự động hoá cao, tự

động hoàn toàn không có sự tham gia của con ngời, rất linh hoạt và không đòihỏi đầu t lớn Trong đó các máy và Robot trong dây chuyền đợc điều khiểnbằng cùng một hệ thống chơng trình Đó là các dây chuyền lắp ráp ô tô, cácsản phẩm điện tử,…Yêu cầu hiện nay đối với các Robot công nghiệp loại này

là nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễthích hợp với các sản phẩm loại nhỏ

+Trong các quá trình hàn và nhiệt luyện Các qúa trình này bao gồm cáccông việc nặng nhọc, độc hại, nhiệt độ cao

+Trong công nghiệp đúc: công việc rất đa dạng điều kiện làm việc khắcnghiệt, sản phẩm luôn thay đổi và đặc biệt là chất lợng của sản phẩm phụthuộc quá nhiều vào quá trình thao tác Robot có thể làm các công việc nh: rótkim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn,…Ngày nay, ở nhiềunớc trên thế giới, Robot đợc sử dụng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúcnhng chủ yếu để phục vụ các máy đúc áp lực

+Robot công nghiệp cũng đợc ứng dụng trong ngành gia công áp lựcnơi mà điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi Ví dụ trong công nghệrèn : Robot có thể thực hiện nhiều việc nh : đa phôi vào lò nung,vận chuyểnphôi sau khi ra khỏi lò,…So với các phơng tiện cơ giới và tự động khác phục

vụ các máy rèn dập thì dùng Robot có u điểm là nhanh, chính xác và cơ độnghơn

1.2.4 Xu thế phát triển của Robot công nghiệp trong tơng lai.

+Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn

+ Robot ngày càng thay thế nhiều lao động

+ Robot ngày càng trở nên chuyên dụng

+ Robot ngày càng đảm trách đợc nhiều loại công việc lắp ráp

+ Robot di động ngày càng trở nên phổ biến

1.3 Hệ thống điều khiển Robot

Từ đặc điểm làm việc của Robot ngời ta chia việc điều khiển Robotthành hai bài toán :

+Bài toán điêù khiển thô : là bài toán xác định cách điều khiển thíchhợp sao cho các khớp tay Robot bám sát quỹ đạo thiết kế trong quá trình thờigian ở đây bao gồm tốc độ và vị trí tay Điều khiển thô chỉ thực hiện điềukhiển quỹ đạo

+Bài toán điều khiển tinh : là bài toán có xét đến cả môi trờng làm việccủa Robot, do đó ở đây bao gồm cả điều khiển lực và điều khiển quỹ đạo

đ iề u k h iể n r o b o t

đ iề u k h iể n t in h (đ iề u k h iể n l ự c v à

H 1.7: Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot.

1.3.1 Điều khiển quỹ đạo.

Với giả thiết tay Robot di chuyển không tải và không tiếp xúc với môitrờng làm việc thì bộ điều khiển quỹ đạo đợc thiết kế sao cho Robot có thểbám theo một quỹ đạo đặt trớc (di chuyển của Robot là tự do trong khônggian)

1.3.1.1Phơng pháp điều khiển có phản hồi

+Bộ điều khiển phản hồi PD:

• Bộ điều khiển PD không có điều chỉnh tốc độ.

Bộ điều khiển này sử dụng đồng thời cả hai bộ tỷ lệ P và bộ vi phân D Bộ tỷ

lệ P khuếch đại tín hiệu sai số vị trí, bộ vi phân D chỉ khuếch đại tín hiệu phảnhồi về vận tốc góc khớp Luật điều khiển có dạng :

H 1.8: Bộ điều khiển PD không có điều chỉnh tốc độ.

• Bộ điều khiển PD có điều chỉnh tốc độ.

Bộ điều khiển khác với bộ điều khiển PD không điều chỉnh tốc độ ở chỗ : Cótín hiệu sai lệch về vận tốc góc khớp Tín hiệu sai lệch vận tốc này đợc khuếch

đại qua khâu D Luật điều khiển :

q q

H 1.9: Cấu trúc bộ điều khiển PD có điều chỉnh tốc độ.

Bộ điều khiển phản hồi PD có u điểm :

+Muốn tính đợc các thông số của PD phải biết đầy đủ các thông số của Robot

Để nâng cao độ chính xác tĩnh của hệ thống điều khiển thì phải tăng hệ sốkhuếch đại K, nhng nếu hệ số khuếch đại K lớn sẽ làm giảm độ ổn định của

hệ thống Với việc dùng bộ điều khiển PID sẽ khắc phục đợc nhợc điểm của

bộ điều khiển PD Khi đó luật điều khiển có dạng:

1.3.1.2 Phơng pháp điều khiển tiền định.

Nội dung của phơng pháp này là :

+ Đảm bảo cho Robot có mômen di chuyển yêu cầu

+ Dựa trên các tín hiệu đặt (q ,q ,q )d & &d &d ⇒ Tính toán đợc Mđ

H 1.10: Cấu trúc bộ điều khiển tiền định

Luật điều khiển có dạng :

M M (q ,q ,q ) M= d d & &d &d + f

Để bù nhiễu, đa thêm thành phần mômen phụ (sai lệch vị trí,tốc độ)

Mf = K P ε + K D ε &

Phơng pháp này có đặc điểm : Do Mđ mang tính định sẵn nên giảm đợc thờigian tính toán tuy nhiên ˆR− 1 là một mô hình phải biết trớc (phải biết mô hìnhRobot)

1.3.1.3 Phơng pháp điều khiển “Động lực học“

Còn gọi là phơng pháp điều khiển mômen tính toán, dựa trên nguyên lýcơ bản lựa chọn luật điều khiển sao cho khử đợc các thành phần phi tuyến củaphơng trình động học Robot và phân ly đặc tính động lực học các thanh nối(tạo ra hệ thống tuyến tính độc lập giữa các khớp) Kết quả sẽ nhận đợc một

&& && q q = id + KPi iε + KDiε + & KIi∫ ε τ τi( )d

Víi && && && ε =i qid − qi lµ sai lÖch gia tèc cña gãc khíp

Bằng phơng pháp mô hình hoá hoặc phơng pháp đặt nghiệm cực, ta xác định

đợc các hệ số KDi, KPi, KIi sao cho hệ thống hội tụ, ổn định

H 1.12: Sơ đồ cấu trúc hệ thống.

Phơng pháp này có u điểm là : khử đợc tính phi tuyến của hệ thống Tuynhiên phơng pháp này vẫn tồn tại một số nhợc điểm :

+Hệ thống điều khiển cồng kềnh, khối lợng tính toán lớn

+Chỉ thực hiện khi biết đầy đủ các tham số của Robot

+Luật điều khiển không thích nghi khi tham số biến đổi

1.3.2 Phơng pháp điều khiển thích nghi

Lý thuyết về phơng pháp điều khiển thích nghi đã đợc nghiên cứu từ lâunhng không đợc ứng dụng do số các phép tính trong bài toán này là quá lớn.Hiện nay, phơng pháp điều khiển thích nghi đợc ứng dụng mạnh mẽ nhờ sựphát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, điện tử cho phép giải quyếtnhững phép tính đó

Trong thực tế, rất nhiều hệ thống phi tuyến và bị biến đổi trong quátrình làm việc Phơng pháp điều khiển thích nghi thích hợp đối với các quátrình có thông số biến đổi hoặc các quá trình không hoàn toàn xác định Nó cókhả năng cho phép xác định các tham số điều khiển thích hợp khi điều kiệnlàm việc thay đổi

Hệ thống Robot là một hệ thống phi tuyến với nhiều ảnh hởng nhiễukhông xác định, có sự tác động xuyên chéo giữa các khớp, sự phi tuyến nàychịu ảnh hởng lớn của sự biến động tải.

Bộ điều khiển thích nghi thờng gồm hai khâu:

+Khâu nhận dạng tham số

+Khâu điều chỉnh thích nghi: hiệu chỉnh các tham số của bộ điều chỉnh

và bù tín hiệu

Có hai hệ thống thích nghi chính :

+Điều khiển thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại

+Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn

+Điều khiển thích nghi tự chỉnh

1.3.2.1 Điều khiển thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại.

Trong phơng pháp này, hệ thống thực việc đo lờng một số biến có liênquan tới sự thay đổi của quá trình động học Những biến này có thể sau đó đợc

sử dụng để thay đổi hệ số khuếch đại của bộ điều khiển Bộ điều khiển thíchnghi sẽ thực hiện việc bù sự thay đổi của hệ số khuếch đại

+Vòng lặp thứ nhất phản hồi tín hiệu ra về bộ so sánh ở đầu vào, nó

đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn bám sát tín hiệu đặt

+Vòng lặp thứ hai đo và điều chỉnh tham số của bộ điều chỉnh trên cơ

sở các luật điều khiển sử dụng

Phơng pháp này có u điểm: giảm ảnh hởng của biến thiên tham số, tham

số của bộ điều khiển thay đổi rất nhanh tơng ứng với sự thay đổi của quá trình

1.3.2.2 Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn (MRAC)

Phơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn là một dạng điềukhiển thích nghi quan trọng trong đó dạng tín hiệu mong muốn đợc thể hiệnthông qua tín hiệu ra của mô hình chuẩn

Mô hình tổng quát của hệ thống:

H1.14: Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn (MRAC).

Hệ thống có một vòng lặp thông thờng để đảm bảo sự bám sát của tínhiệu ra so với tín hiệu vào và một vòng lặp khác cho phép thay đổi tham sốcủa bộ điều khiển để đảm bảo chất lợng của hệ thống khi tham số động họccủa hệ thống bị thay đổi

Tham số điều khiển bị thay đổi dựa trên sai số giữa tín hiệu ra của môhình thực và tín hiệu ra của mô hình chuẩn

Mục đích của cơ cấu thích nghi ở đây là điều chỉnh các thông số nào đó saocho hệ thống và mô hình có sai lệch nhỏ nhất, tức đạt đợc :

t

W(q,q,q)&&& : Chứa thông số đã biết.

φ : Chứa sai số ớc lợng của thông số cha biết

áp dụng tiêu chuẩn Lyapunov để tìm luật điều chỉnh Đa phơng trình trên vềphơng trình trạng thái:

X A.X B.U&= +

Khớp thứ j : j dj j pj j 1

j

ˆ ˆ

X A.X B.U A.X B H W.

+ Điều khiển trở kháng thụ động: Cơ cấu đàn hồi có tâm điều khiển từ xa.

Khi chi tiết đa đến vị trí lắp ráp, tay máy không cần sinh lực để đa vào Trụcchi tiết và trục của lỗ không trùng nhau, do đó các lò xo trên tay máy bị uốn,

đẩy chi tiết sao cho trục của chi tiết và trục của lỗ trùng nhau, đồng thời sinh

ra mô men quay quanh trục của lỗ, đẩy chi tiết vào đúng vị trí cần lắp đặt

+ Điều khiển trở kháng tích cực: Dùng các phản hồi lực và vị trí để điều

khiển tay máy lắp ráp chi tiết Mô phỏng Robot dới dạng vật tiếp xúc với đốitợng, lực sinh ra phụ thuộc khe hở và độ cứng của môi trờng Sau khi đo đợclực, thiết kế mạch vòng phản hồi lực

1.3.4 Nguyên lý điều khiển SCORBOT-ER9

1.3.4.1Điều khiển servo.

a.Mạch vòng điều khiển hở.

ở mạch vòng điều khiển hở (not-servo) thì hệ thống không kiểm tra vịtrí hoặc tốc độ đầu ra bằng đầu ra đã mô tả Hệ thống điều khiển vòng lặp hởnày thì tín hiệu đầu ra bộ điều khiển Ur chỉ đợc xác định bởi tín hiệu đầu vào(r) Nếu hệ thống điều khiển phản hồi không chính xác nh dự đoán hoặc nếutín hiệu đầu ra bị tác động bởi các hệ số khác thì sai số trạng thái sẽ xuấthiện Vì thông tin phản hồi không tồn tại nên hệ thống không thể tính toán sai

số đầu ra chính xác đợc

K e

Đối với kỹ thuật điều khiển mạch vòng hở thì công suất đợc áp dụng tớicác động cơ theo chơng trình xác định trớc Quỹ đạo và tốc độ không chínhxác với dự đoán vì chúng đợc xác định bởi Momen, tải trên các động cơ vàcác hệ số môi trờng khác.

H.1.16: Hệ thống điều khiển mạch vòng hở (a) và kín (b)

Tại hệ thống điều khiển servo, một thiết bị thông tin phản hồi thông ờng là một Encoder quang đo tín hiệu đầu ra (C) (số lợng, tốc độ và điềukhiển vòng quay động cơ) biến đổi nó thành một tín hiệu đầu ra (Ub) và truyền

th-nó để so sánh Khối so sánh nối đầu vào và tín hiệu phản hồi tạo ra một tínhiệu sai lệch bằng hiệu số của hai tín hiệu đầu vào Tín hiệu sai lệch này đợcbiểu thị là Ue Ue là giá trị quan trọng nhất ở hệ thống vòng lặp kín Mục đích

hệ thống là giảm Ue tới giá trị nhỏ nhất có thể Khi Ue = 0 thì tín hiệu đầu ra(trạng thái hiện tại) bằng tín hiệu đầu vào (trạng thái đã mô tả)

1.3.4.2 Điều khiển số

Không giống nh hệ thống điều khiển tơng tự, hệ thống điều khiển số cótất cả các tín hiệu trong bộ điều khiển đợc duy trì các tín hiệu tơng tự Các hệthống điều khiển số đó có một vài tín hiệu trong bộ biều khiển đợc tách rathành các tín hiệu số nhờ bộ vi xử lý

Trong hệ thống điều khiển số thì chức năng của bộ điều khiển là:

+Biến đổi giữa tín hiệu số và tín hiệu tơng tự Để bộ vi xử lý đọc mộttín hiệu tơng tự thì đầu tiên tín hiệu phải qua bộ biến đổi tơng tự thành số Đểtrung tâm xử lý truyền một tín hiệu tơng tự thì các giá trị tín hiệu phải đợc dẫntới bộ biến đổi tơng tự thành số (DAC) Bộ này giữ tín hiệu đầu ra cho đến khinhận một giá trị mới

+Trung tâm xử lý tính toán trạng thái (vị trí, tốc độ ), độ sai lệch (e)

đối với mỗi động cơ và tín hiệu điều khiển (Uc) gửi tới các động cơ để đạt đợc

độ sai chính xác Tín hiệu điều khiển đợc biến đổi thành tín hiệu tơng tự bởi

bộ biến đổi DAC và sau đó khuyếch đại trớc khi truyền động động cơ

Thiết bị phản hồi đo trạng thái thực và sinh ra một tín hiệu tơng tự Tín hiệuphản hồi đợc biến đổi bởi bộ ADC, do đó trung tâm xử lý có thể đọc nó đểtính toán e

H.1.17: Tín hiệu số (b)và tín hiệu tơng tự (a)

Hệ thống điều khiển số có thể đợc lập trình để tính toán một số phơngtrình điều khiển Chơng trình điều khiển của trung tâm xử lý là một vòng lặpliên tiếp mà các bớc cơ bản là nh sau:

1.Đọc trạng thái đã yêu cầu từ bộ nhớ

2.Đọc trạng thái thực từ thiết bị phản hồi

3.Tính toán trạng thái sai lệch e

4.Tính toán tín hiệu điều khiển từ phơng trình điều khiển

5.Quay trở lại bớc 1

Sự khác nhau cơ bản giữa bộ điều khiển số và tơng tự là thời gian trễgây ra bởi sự tính toán của trung tâm xử lý Thật vậy, thời gian trễ này là thờigian lấy mẫu (chu kỳ trích mẫu) của bộ biến đổi DAC và của tín hiệu điềukhiển đầu ra mà nó sinh ra Nếu trung tâm xử lý có thể hoàn thành một vòng

lặp trong một vài giây thì chu kỳ trích mẫu sẽ càng nhanh và bộ điều khiển số

sẽ sinh ra ở đầu ra giống với đầu ra bộ điều khiển tơng tự Trên cánh tay khác,nếu trung tâm xử lý tính toán chậm thì bộ điều khiển sẽ không thể thay đổinhanh tín hiệu phản hồi và tín hiệu điều khiển sẽ là giá trị cũ Độ trễ lớn thì độnhạy sẽ dao động và cuối cùng không tồn tại

1.3.4.3 Các thông số điều khiển

Hệ thống điều khiển robot bằng bộ biều khiển B nói chung là hệ thốngmạch vòng khép kín, giá trị đã điều khiển (C) đợc đo bởi Encoder quang Cáctín hiệu Encoder cung cấp nh thông tin phản hồi tới bộ điều khiển để tạo ra độlệch chính xác từ giá trị đã yêu cầu

Vì hệ thống điều khiển không thể phản hồi ngay tới tín hiệu đầu vào nên ở đóluôn luôn có độ trễ giữa sự phát sinh tín hiệu sai lệch và hiệu chỉnh giá trị đã

điều khiển thực Các thông số điều khiển PID (tỉ lệ ,tích phân,vi phân) chophép bộ điều khiển thích nghi với các điều kiện khác nhau của phép toán, ví

dụ khắc phục chức năng phi tuyến trong hệ thống

•Bộ điều khiển tỉ lệ

Thông số tỉ lệ là hệ số khếch đại của hệ thống điều khiển Giá trị của nóxác định biên độ phản hồi đối với sai số vị trí Khi sai số vị trí hiện tại (tức là

vị trí động cơ bị tắt bởi số lợng nào đó của bộ đếm Encoder) thì trung tâm xử

lý tín hiệu nhân sai số theo từng thông số tỉ lệ và cộng tích số với giá trị DAC

và theo cách ấy thì giảm đợc sai số Thông số tỉ lệ là thông số trong hệ thống

điều khiển PID có tác dụng nhanh nhất trong việc giảm sai số vị trí đặc biệt làtrong quá trình chuyển động Đây là thông sô đầu tiên để phản ứng lại đối vớisai số vị trí khi robot đã dừng ở vị trí đích Thông số tỉ lệ mà lớn thì hệ thốngphản hồi nhanh hơn và giảm sai số nhng gây ra các trục dao động

Nhợc điểm chính của bộ điều khiển tỉ lệ là hệ thống không thể hoànthành huỷ bỏ sai số bởi vì mỗi lần giảm sai số thì hệ thống không đủ khả nănghồi phục ma sát trong hệ thống và đẩy các trục tới vị trí đích Ngay cả trongtrạng thái ổn định khi cha đầy tải thì giá trị đã điều khiển (tín hiệu đầu ra) sẽluôn luôn khác với giá trị đã yêu cầu (tín hiệu đầu vào) Sai số trạng thái ổn

định có thể giảm bằng cách tăng hệ số khuếch đại nhng điều này sẽ làm tăngdao động và giảm tính chát ổn định

Thông số vi phân có u điểm là giảm sai số tốc độ Hệ thống điều khiểntính toán tốc độ thực mỗi một chu kì và so sánh nó với giá trị đã yêu cầu.Trong khi robot đang gia tốc (trong thời gian đoạn đầu tiên của đừơng dẫn) thìhoạt động vi phân nh một hệ số truyền Còn khi robot đang giảm tốc (trongthời gian lần thứ 2 ở đoạn cuối cùng của đờng dẫn) thì hoạt động vi phân nhmột hệ số hãm Việc sắp xếp vi phân tốt sẽ giảm nhanh và êm chuyển độngcủa toàn bộ đờng dẫn Giá trị vi phân thấp sẽ gây ra quá tải ở cuối đờng dẫn vàngợc lại sẽ gây ra dao động nhỏ dọc theo đờng dẫn

ở phơng pháp điều khiển này, bộ điều khiển dự báo giá trị sai số toạ độ với sai

số tín hiệu độ dốc và gây ra sự hiệu chỉnh cần đặt trớc Tuy nhiên, nếu sai số

là hằng số bộ điều khiển vi phân sẽ không thể giảm sai số tới 0

•Bộ điều khiển tích phân

Tất cả các sai số trạng thái ở bộ điều khiển tích phân đã ghi ở mỗi chu

kỳ đợc tính tổng và tổng của chúng đợc nhân bởi giá trị thông số tích phân ở

bộ điều khiển tích phân, đầu ra bộ điều khiển (C) giảm tín hiệu sai số (Ue) tới

0 theo tốc độ tỉ lệ với độ lớn và thời gian sai số Nói cách khác, sai số càng lớnthì đầu ra của bộ điều khiển càng lớn và thời gian sai số dài hơn thì đầu ra bộ

điều khiển lớn hơn

Ưu điểm chính của bộ điều khiển tích phân là giảm sai số trạng thái ổn

định tới 0 vì giá trị của nó tăng mỗi một chu kỳ, do đó làm tăng khả năngphản ứng lại và giảm sai số của hệ thống điều khiển Tuy nhiên, việc tăng giátrị lớn đối với thông số tích phân có thể gây ra quá tải trong khi thêm vào giátrị nhỏ có thể ngăn cản huỷ bỏ sai số trạng thái ổn định

Không giống thông số tỉ lệ, thông số tích phân tác dụng chậm hơn vàthời gian chuyển động ít hơn Tuy nhiên, khi trục sắp dừng xong và thông số tỉ

lệ không thể giảm nhiều hơn sai số trạng thái ổn định thì thông số tích phâncần vợt qua và có thể huỷ bỏ hoàn toàn sai số

•Bộ điều khiển PID

Phơng pháp bộ điều khiển PID là phơng pháp tối u nhất trong ba loại bộ

điều khiển P, I, D Phơng pháp này tạo ra một đáp ứng đầu ra cho phép tín hiệu

đầu vào khép kín ở cả quá trình làm tăng và giảm Nói tóm lại, thông số bộ

điều khiển PID cung cấp các chức năng sau:

+Thông số tỉ lệ: có thể làm nhanh và tác động mạnh các phản ứng của cánhtay tới các lệnh chuyển động, chịu trách nhiệm đối với việc lặp lại chuyển

động

+Thông số tích phân: giúp thông số tỉ lệ loại trừ các sai số trạng thái ổn định +Thông số vi phân: cung cấp sự tắt dần đã yêu cầu

+Robot SCORBOT ER-IX và bộ điều khiển+Máy tính với phần mềm SCORBASE for Window.

+Băng truyền (Conveyor)+Teach Pendant: thiết bị điều khiển bằng tay

+Phôi (Workpieces): Là một phần tử có thể là hình trụ hoặc hìnhvuông đợc dùng làm vật liệu để Robot làm thí nghiệm

Trong chơng này nghiên cứu Robot làm việc nh thế nào và thao tác nó

ra sao; cấu hình phần cứng và phần mềm để lập trình nó, thực hiện các nhiệm

vụ hoạt động

2.2 Khảo sát Robot SCORBASE

Robot SCORBASE có thể đợc chia làm hai phần nh sau:

+ Phần các thiết bị giao tiếp chấp hành (phần cứng)

+ Phần các chong trình điều khiển (phần mềm)

Hai phần này đợc cấu tạo từ phần tử nhỏ hơn và có mối liên hệ chặt chẽvới nhau nh trên sơ đồ sau tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh

H.2.1: Cấu trúc hệ thống Robot SCORBASE.

2.2.1 Các thiết bị giao tiếp chấp hành.

2.2.1.1Khối điều khiển (Controller).

Bộ điều khiển là một thiết bị trung gian kết nối giữa máy tính và robot

để thực hiện các chơng trình điều khiển robot Việc nối bộ điều khiển với PCthông qua cổng COM1 hoặc COM2 hoặc RS232 cho phép SCORBASE liênkết với ACL – là một ngôn ngữ kỹ thuật điều khiển robot đợc nạp trên bộEPROMS trong bộ điều khiển Bởi vậy, bộ điều khiển phải đợc định hình thể

đối với sự hoạt động SCORBASE và có dạng:

H.2.2:Bộ điều khiển giao tiếp

-Đặc điểm kỹ thuật của bộ điều khiển:

+Loại điều khiển: Bao gồm điều khiển độc lập, thời gian thực, đanhiệm, PID (tỉ lệ, tích phân, vi phân), PWM (điều biến độ rộng xung)

+Điều khiển đờng: gồm CP (đờng liên tục), đờng nối, đờng thẳng, đờngtròn, đờng hình sin, đòng đợc định nghĩa bởi ngời sử dụng toạ độ của thiết bị

+Điều khiển quỹ đạo: gồm điều khiển quỹ đạo kiểu Parabonoit, quỹ đạo

đờng hình sin

+Các tham số điều khiển: điều khiển servo; tốc độ, vận tốc trợt; sai lệch

vị trí trục; hoạt động bàn kẹp; bảo vệ nhiệt, va chạm, giới hạn; dẫn đờng; giaodiện Encoder; các phép tính

- Cấu trúc bên ngoài của bộ điều khiển:

+Mặt trớc bộ điều khiển-B có dạng nh hình 2.2 với đặc điểm sau:

•POWER: Công tắc nguồn nối và không nối với nguồn100/110/220/240VAC tới bộ điều khiển

•Đèn nguồn: Đèn LED màu vàng sáng lên khi công tắc nguồn bật Nó

đã chỉ ra rằng nguồn đợc cấp tới bộ điều khiển

•Công tắc cấp nguồn cho động cơ: Công tắc này cho phép đóng hoặccắt nguồn cấp điện áp một chiều tới tất cả các động cơ đã nối Đèn LEDmàu xanh gắn vào công tắc và sáng lên khi công tắc bật CPU giữ cáctrạng thái on/off của công tắc trên bộ điều khiển và gây ra thôngbáo:”công tắc nguồn động cơ bị tắt” xuất hiện khi công tắc không bị ấn.

• Nút bấm Emergency và LED: Khi nút bấm Emergency đợc ấn thì dẫntới:

Nguồn động cơ bị ngắt, tất cả động cơ hoạt động dừng Đèn LED các

động cơ màu xanh tắt

Trạng thái COFF (điều khiển tắt) không hoạt động

Đèn LED dừng khẩn cấp màu đỏ sáng

Một thông báo dừng khẩn cấp xuất hiện trên màn hình

Tất cả các chơng trình đang chạy bị huỷ bỏ

Các đầu vào và đầu ra bị “treo” ở trạng thái hiện tại

Nguồn cung cấp cho ngời sử dụng vẫn đợc duy trì trong các hoạt độngbình thờng

Chế độ HOME và CON không thể kích hoạt đợc

Để giải phóng nút bấm EMERGENCY bằng cách quay nút đó theochiều kim đồng hồ nh đã chỉ bởi mũi tên trên nút

+Mặt sau của bộ điều khiển có dạng nh hình vẽ:

H.2.3: Mặt sau của bộ điều khiển

Trong đó:

1.Công tắc nguồn ON/OFF2.Chân cắm nguồn 100/110/220/240VAC3.Thiết bị tiếp đất

4.Cổng RS2325.Đầu nối Teach Pendant6.Đầu nối cổng song song

7.Đầu nối nguồn Robot8.Đầu nối Encoder9.Đầu nối trục truyền động10.Đầu nối SCORBOT-ERV11.Đầu nối các khối vào/raCấu trúc bộ điều khiển: Với trọng lợng 36kg, bộ điều khiển gồm một số phần

tử chính sau:

+CPU(Control processing Unit ): loại Motorola 68020, Motorola MC68881 Đây là bộ xử lý trung tâm chứa tất cả các mạch điện cho phép điềukhiển, định thời, lu trữ và truyền tải dữ liệu địa chỉ, thuật toán thực hiện

+Input(đầu vào): Bộ điều khiển Robot SCORBASE có 16 đầu vào, đợcchia thành 2 khối cách ly quang (khối C và D) nh hình dới:

H.2.4:Đầu vào bộ điều khiển

Mỗi khối đợc đặt ở chế độ luôn nổi và có thể đợc tham chiếu tới cácthiết bị ngoại vi khác nhau hoặc tới trạng thái tiếp đất của bộ điều khiển Cácmạch đầu vào bộ điều khiển sử dụng cách ly quang để đảm bảo cách ly về

điện giữa bộ điều khiển và các thiết bị điện tử khác trong hệ thống

+Output: gồm 16 đầu ra trong đó có 4 đầu ra rơle với cả tiếp điểm ờng mở và thờng đóng nh hình 2.5a và 12 đầu ra khác đã mở các loại côlecter

th-đợc chia thành hai khối cách cách ly quang (khới A và B) hình 2.5b

H.2.5:Đầu ra của bộ điều khiển

+Communication(truyền thông): Hai kênh tích hợp chuẩn truyền thôngRS232, có thể đợc mở rộng tới 10 kênh

+Đa nhiệm: Thực hiện đồng thời tối đa 40 nhiệm vụ của ngời sử dụng ;các Encoder quang tăng thêm xung kim (xung C)

2.2.1.2 Băng tải.

Trong hệ thống Robot SCOBASE trong phòng thí nghiệm đợc trang bịmột băng tải nhỏ, để thực hiện một số ứng dụng đáp ứng sự di chuyển của cácvật tới và từ Robot Nó bao gồm một động cơ một chiều, băng truyền, mộtcảm biến quang điện mà tín hiệu của nó chỉ tới bộ điều khiển Robot, bộ phận

đó đã chỉ đến vị trí làm việc Nó đợc xác định nh trục 8 và đợc điều khiển bởi

bộ điều khiển Robot

2.2.1.3.Cảm biến.

Tất cả các cánh tay Robot có các cảm biến bên trong để cung cấp dữliệu về vị trí hoặc sự chuyển động các khớp cánh tay Không có các cảm biếnnày ở bộ điều khiển thì không thể đặt chính xác vị trí cánh tay đợc Một vài

hệ thống Robot bao gồm cả các cảm biến bên ngoài cung cấp dữ liệu trên vậtthể ở vùng lân cận của Robot Không có các biến này thì Robot không thể xác

định đợc chính xác vị trí của vật thể

Trên băng truyền tải trang bị một cảm biến quang điện Cảm biến cũngxác định sự có mặt hoặc không có mặt của vật thể nhng đợc gọi là cảm biếnkhông tiếp xúc vì chức năng của nó không yêu cầu tiếp xúc với vật thể

Khi phạm vi nhận biết của cảm biến không tiếp xúc giới hạn ở phạm vihẹp cỡ từ 1 đến 5 cm thì cảm biến thờng đợc xem nh cảm biến ở gần Cảmbiến quang điện bao gồm một diot phát sáng (LED), một bộ phận phát hiện (ví

dụ một diot nhạy cảm ánh sáng)

- Khi LED và bộ thu đối diện nhau thì bộ thu sẽ nhận ánh sáng và phát

ra tín hiệu với điều kiện vật thể không làm gián đoạn chùm sáng, do vậy tínhiệu ở giữa vật thể là không có mặt

-Khi đèn LED và bộ thu đợc đặt cạnh nhau thì bộ thu sẽ nhận ánh sáng

và phát ra một tín hiệu khi vật thể qua chùm sáng và phản xạ trở lại để để đợcphản hồi, do đó không có tín hiệu nào ở giữa vật thể là không có mặt (giống

chức năng cảm biến băng tải) Cảm biến quang điện trên băng tải đợc nối tới

đầu vào 6 trên bộ điều khiển

cu roa Sự chuyển động các khớp đợc mô tả theo bảng sau:

4 Cổ tay Pitch Nâng lên và hạ end_effector 4

• Dây cu roa và puli

Hình H.2.6 là hệ thống truyền động của SCORBOT- ER9 cho trục 1 đếntrục 4 Riêng trục 5 hệ truyền động không bao gồm puli và dây cu roa mà chỉ

có hộp truyền động đợc sử dụng

H.2.6: Hệ thống truyền động của SCORBOT- ER9 c.Động cơ:

Cánh tay Robot đợc truyền động bởi động cơ điện một chiều Các bộtác động biến đổi tín hiệu từ bộ điều khiển (điện năng) thành sự quay của trục

động cơ (cơ năng) Các động cơ này phải đảm bảo:

-Động cơ Robot phải quay với các tốc độ khác nhau và mức độ chính xác rấtcao Ví dụ: nếu Robot đợc sử dụng để ứng dụng phun sơn thì nó phải đợc xác

định hớng đi tiếp theo một cách chính xác với tốc độ xác định

-Động cơ phải đợc cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏ để Robot chuyển độngnhanh lên hay chậm lại tuỳ theo ứng dụng yêu cầu

-Động cơ phải đợc cung cấp Momen lớn trong suốt phạm vi tốc độ của nó vàkhi khớp tĩnh

-Động cơ phải dừng nhanh không quá vị trí đích và thực hiện nhanh chóngthay đổi trong điều khiển

-Vì đặt các động cơ trên cánh tay Robot để thêm tính ì và trọng lợng củarobot Nh chỉ trên hình sau, các động cơ đợc đặt trên các trục chúng chuyển

động với một hộp chuyển động 2 cấp (từ trục 1 đến trục 4) và một cấp (trục 5)

H.2.7:Cấu trúcRobot SCORBOT-ER.

Robot SCORBOT ER-IX sử dụng các động cơ một chiều nam châmvĩnh cửu để chuyển động các trục Các trục 1, 2, 3 của Robot đợc cấp nguồncủa động cơ chỉ ở hình 2.8a còn trục 4 và trục 5 đợc cấp bởi bởi động cơ chỉ ởhình 2.8b Các động cơ này có thể chuyển động với tốc độ quay rất lớn đểchuyển động các tải có momen lớn và (Encoder đã gắn) để thực hiện các vòngquay lớn Các thông số kỹ thuật của động cơ nh sau:

Các trục động cơ 1, 2 và 3 Trục 4 và 5

lb

Nguyên lý hoạt động của các động cơ điện nói chung và các động cơ

điện một chiều nói riêng đợc dạ trên dòng điện chạy qua chất đẫn điện đặttrong từ trờng Vị trí này tạo ra một lực tác động vào chất dẫn điện Cấu trúccơ bản động cơ bao gồm ba phần tử chính:

H.2.9: Cấu trúc động cơ một chiều.

• Stator: Là một phần tử tĩnh tạo ra một từ trờng Stator có thể là mộtnam châm vĩnh cửu hoặc một nam châm điện gồm một cuộn dây quấn quanhmột bản cực sắt mỏng

• Rotor: Là một phần tử quay trong từ trờng Tải bên ngoài đợc nối vớitrục động Rotor Nói chung, Rotor bao gồm các tấm sắt đã đợc đục lỗ và mộtdây nối đã đợc quấn vài lần quanh tấm bản cực và qua các lỗ thủng Hai đầu

dây dẫn đợc nối tới hai nửa của bộ chuyển mạch cái mà đợc nối dòng điện quacác chổi.

• Các chổi: Các chổi này nối xoay tròn bộ chuyển mạch tới nguồn dòng

H.2.10: Sơ đồ Encoder đợc đặt trên động cơ SCORBOT-ER9.

Encoder sử dụng trên SCORBOT ER-IX bao gồm một diot (LED)quang nh một nguồn sáng Trớc đèn LED là một mạch tổ hợp (IntegratedCircuit) dò sóng ánh sáng IC này bao gồm một vài bộ thu tách sóng quang vàmột mạch điện để tạo ra một tín hiệu số Một lỗ khoan trên đĩa quay đợc đặtvào giữa mạch tổ hợp bộ phát và bộ thu sóng

Khi đĩa Encoder quay giữa bộ phát và bộ thu thì chùm sáng bị ngắt bởimẫu “vật chắn” và ”các cửa sổ” trên đĩa, kết quả là một chuỗi xung đã đợcnhận đợc bởi bộ tách sóng.

Encoder có 512 rãnh cắm nh hình H.2.11 Một khe bổ xung trên đĩaEncoder đợc sử dụng để phát ra một xung kim (xung C) khi mà đĩa quay tròn

Đáp ứng xung kim này để xác định vị trí gốc của các trục

H2.11: Đĩa Encoder SCORBOT-ER9

Bộ thu sóng quang đợc xắp xếp sao cho khi thay đổi có thể thu đợc đầy

đủ các sóng ánh sáng Sau đó, các đầu ra diot quang đợc đa vào mạch gia côngtín hiệu, kết quả là các tín hiệu A, A đảo, B, B đảo, I và I đảo nh hình H.2.12

Các bộ so sánh nhân các tín hiệu này và cuối cùng tạo ra ở các đầu ra sốtại các kênh A, B và I Đầu ra kênh A lệch pha với kênh B (lệch pha 900) nhchỉ ở hình H.2.12 và cuối cùng đầu ra kênh I là một xung kim

H.2.12.Các tín hiệu đầu ra Encoder

Khi chiều quay của đĩa ngợc với chiều quay kim đồng hồ (nh quan sát ởgiới hạn Encoder của động cơ), kênh A sẽ sớm pha hơn kênh B Và ngợc lạikhi chiều quay của đĩa theo chiều kim đồng hồ thì kênh B sẽ sớm pha hơnkênh A

f.Công tắc giới hạn.

Ngoài ra trên SCORBASE ER-IX còn trang bị công tắc giới hạn đểngăn cản các khớp chuyển động vợt quá giới hạn chức năng của chúng Khi cómột lỗi điều khiển, các trục các trục di chuyển quá phạm vi thì công tắc giớihạn tác động để dừng các chuyển động đó Công tắc là một bộ phận của mạch

điện bên trong cánh tay Robot độc lập với bộ điều khiển

Các trục từ 1 đến 4 có hai công tắc giới hạn Trục 5 (lăn) không có giới hạnchuyển động nên nó có thể quay không ngừng Khi một bàn kẹp đợc gắn vàotrục 5thì sự chuyển động của nó chỉ đợc điều khiển và đợc giới hạn bởi phầnmềm

g.Công tắc cơ sở.

SCORBOT-ER9 một công tắc cơ sở quang trên mỗi trục để nhận dạng

vị trí gốc hoặc vị trí chuyển đến cố định Công tắc cơ sở đợc đặt trên đĩa giống

nh công tắc giới hạn và một “cờ” đợc gắn tới đầu ra trục Harmonic

Trong suốt thủ tục dẫn đờng, các khớp robot đợc chuyển động lần lợt kế tiếpnhau Mỗi trục đợc chuyển động cho đến khi cờ ngắt chùm sáng Khi điều đóxảy ra thì bộ tách sóng ở mỗi trục gửi một tín hiệu riêng tới bộ điều khiển.Trục động cơ tiếp tục quay cho đến khi encoder của trục sinh ra một xungkim Điểm ở tại thời điểm xảy ra đó là vị trí trục gốc

2.2.1.5.Teach pendant(TP)

Teach Pendant là một thiết bị điều khiển cầm tay liên kết trực tiếp với

bộ điều khiển robot và cung cấp cho ngời vận hành điều khiển trực tiếp robot

và các trục ngoại biên, khi ngời sử dụng chuyển sang chế độ điều khiển bằngTeach Pendant thì hệ thống sẽ cấm không cho phép điều khiển từ máy tính vàngợc lại.Trong phần bổ xung để điều khiển chuyển động của các trục, TeachPendant đợc sử dụng để ghi các vị trí, dẫn các trục để ghi các vị trí và thựchiện các chức năng khác và có dạng nh hình vẽ:

H2.13:Thiết bị Teach Pendant.

Teach Pendant đợc trang bị một nút bấm EMERGENCY STOP, một bộcông tắc chuyển mạch AUTO/ TEACH, một DEADMAN và 25 phím chứcnăng khác nhau Ngoài ra, để giao diện với ngời điều khiển Teach Pendant còn

có bảng hiển thị, là một lớp tinh thể lỏng có 4 dòng hiển thị Mỗi dòng hiểnthị một loại thông báo xác định với 20 ký tự

Thiết bị này có thể cầm tay hoặc đặt trong vị trí cố định riêng biệt Hoạt độngcủa TP có hai chế độ: Auto và Teach

•Chế độ Auto: Khi hoạt động hệ thống từ bàn phím máy tính thì Pendantphải chuyển ở chế độ Auto

•Chế độ Teach: Khi hoạt động hệ thống từ Teach Pendant thì nó phải đợcchuyển ở chế độ Teach

•Nút bấm Deadman: Là một công tắc thon dài trên mặt trái của TP Khi TPcầm tay ở chế độ Teach thì nút bấm phải đợc ấn ở tất cả những lần để có thể

điều khiển các trục Nếu nút này bị cắt thì hệ thống sẽ dẫn tới trạng tháiEmergency

•Nút bấm Emergency: Là một nút bấm bẹt màu đỏ trên bề mặt của TP và cóchức năng giống nh nút bấm dừng khẩn cấp trên bộ điều khiển Nút này có thểhoạt động bất chấp vị trí (cầm tay hoặc đặt cố định) hoặc trạng thái (chế độTeach hoặc Auto) của TP Khi nút bấm bị ấn thì hoạt động hệ thống ở trạngthái dừng và ngợc lại cắt nút đó đi thì trạng thái Emergency bị huỷ bỏ và ấnphím CONTROL ON/ OFF